JP5861765B2 - Optical receiver and optical receiving method - Google Patents
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Description
本発明は、光受信器、及び光受信方法に関する。 The present invention relates to an optical receiver and an optical reception method.
近年、光伝送におけるトラフィック量の増大に伴い、光分散の影響が大きい100Gbps程度の高速伝送においても、高品質のデータ通信が可能な技術が求められている。この様な技術の一つとして、デジタルコヒーレント技術がある。デジタルコヒーレント技術が適用された光通信装置として、例えば、OIF(Optical Internetworking Forum)で標準化中のDP−QPSK(Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying)変調方式を用いた光通信装置がある。この光通信装置では、光送信器において直行する偏波状態に多重化された信号を、光受信器が受信する。光受信器は、受信信号光と略同一波長の局発光源(例えば、LD:Laser Diode)を有し、その出力光を受信信号光と干渉させて、2つ(X、Y)の偏波のIQ成分の電気信号に変換(コヒーレント検波)する。変換された信号は、AD(Analog/Digital)変換された後、歪補正や誤り訂正を経て、100Gbpsの情報信号として外部に出力される。 In recent years, with an increase in the amount of traffic in optical transmission, a technique capable of high-quality data communication is demanded even in high-speed transmission of about 100 Gbps, which is greatly affected by optical dispersion. One such technology is digital coherent technology. As an optical communication apparatus to which the digital coherent technology is applied, for example, there is an optical communication apparatus using a DP-QPSK (Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying) modulation method that is being standardized by OIF (Optical Internetworking Forum). In this optical communication apparatus, an optical receiver receives a signal multiplexed in a polarization state orthogonal to the optical transmitter. The optical receiver has a local light source (for example, LD: Laser Diode) having substantially the same wavelength as the received signal light, and causes the output light to interfere with the received signal light so that two (X, Y) polarizations To an electrical signal of the IQ component (coherent detection). The converted signal is subjected to AD (Analog / Digital) conversion, is subjected to distortion correction and error correction, and is output to the outside as an information signal of 100 Gbps.
しかしながら、上述した光通信装置による光コヒーレント伝送では、以下の様な問題点があった。すなわち、光通信装置の受信器は、AD変換に先立ち、入力される電気信号をADC(Analog Digital Converter)のダイナミックレンジ内に最適化することで、復号化に伴うエラーレートを低減する。受信器は、最適化に際して、入力するアナログ信号のレベルを小さくするが、これに伴い、後段のデジタル信号処理回路において入力信号から抽出されるクロック成分のゲイン(利得)が低下する。クロック成分のゲイン低下は、同期の確立を困難にすると共に、経年変化やレーン間の特性ばらつきと相俟って、復号化エラーの発生要因となる。受信器におけるエラーレートの増加は、光伝送品質の向上を阻害する。一方、受信器は、クロック成分のゲインを維持するために上記アナログ信号のレベルを上げると、信号振幅がADCのダイナミックレンジを超過する。その結果、デジタル信号処理回路は、AD変換後のデジタル信号からデータ成分を抽出することができなくなる。 However, optical coherent transmission by the above-described optical communication device has the following problems. That is, prior to AD conversion, the receiver of the optical communication apparatus optimizes an input electric signal within a dynamic range of an ADC (Analog Digital Converter), thereby reducing an error rate associated with decoding. The receiver reduces the level of the input analog signal at the time of optimization. Along with this, the gain (gain) of the clock component extracted from the input signal in the subsequent digital signal processing circuit is reduced. The decrease in the gain of the clock component makes it difficult to establish synchronization, and causes a decoding error in combination with the secular change and the characteristic variation between lanes. An increase in error rate at the receiver hinders improvement in optical transmission quality. On the other hand, when the receiver increases the level of the analog signal in order to maintain the gain of the clock component, the signal amplitude exceeds the dynamic range of the ADC. As a result, the digital signal processing circuit cannot extract a data component from the digital signal after AD conversion.
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、光伝送品質を向上することができる光受信器、及び光受信方法を提供することを目的とする。 The disclosed technology has been made in view of the above, and an object thereof is to provide an optical receiver and an optical reception method capable of improving optical transmission quality.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本願の開示する光受信器は、一つの態様において、コヒーレント光を受信する。前記光受信器は、振幅調整回路と信号処理回路と制御回路とを有する。前記振幅調整回路は、入力信号の振幅を調整して出力する。前記信号処理回路は、前記振幅調整回路から出力されたアナログ信号を用いて生成されたデジタル信号を入力すると共に、該デジタル信号からクロック成分を抽出し、該クロック成分とデータ成分との同期を確立した後、前記デジタル信号から前記データ成分を抽出及び処理する。前記制御回路は、前記デジタル信号による同期の確立前は、前記アナログ信号の振幅を第1の振幅に設定し、前記同期の確立後は、該設定後の振幅を、前記第1の振幅より小さい第2の振幅に変更する。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, an optical receiver disclosed in the present application receives coherent light in one aspect. The optical receiver includes an amplitude adjustment circuit, a signal processing circuit, and a control circuit. The amplitude adjustment circuit adjusts the amplitude of the input signal and outputs it. The signal processing circuit inputs a digital signal generated using the analog signal output from the amplitude adjustment circuit, extracts a clock component from the digital signal, and establishes synchronization between the clock component and the data component. Then, the data component is extracted and processed from the digital signal. The control circuit sets the amplitude of the analog signal to a first amplitude before establishment of synchronization by the digital signal, and after the establishment of synchronization, the amplitude after the setting is smaller than the first amplitude. Change to the second amplitude.
本願の開示する光受信器の一つの態様によれば、光伝送品質を向上することができるという効果を奏する。 According to one aspect of the optical receiver disclosed in the present application, it is possible to improve the optical transmission quality.
以下に、本願の開示する光受信器、及び光受信方法の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示する光受信器、及び光受信方法が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of an optical receiver and an optical receiving method disclosed in the present application will be described in detail with reference to the drawings. The optical receiver and the optical receiving method disclosed in the present application are not limited by the following embodiments.
図1は、実施例に係る光受信器100の構成を示す図である。光受信器100は、光送信器(図示せず)と共に、OIFで標準化中のDP−QPSK変調方式を用いた光通信装置を構成する。光送信器では、伝送される100Gbpsの情報信号が、誤り訂正・符号化回路において4本の28Gbpsの信号に変換された後、偏波多重光変調器に入力される。光送信器は、狭線幅半導体レーザを用いた波長可変光源を送信光源として有する。送信光源からの出力光は、上記偏波多重光変調器内部にて2つの光に分離された後、2台のQPSK変調器に入力され、それぞれ、変調速度28Gsps(Giga symbol per second)の4値位相変調光に変換される。各QPSK変調器から出力される信号は、偏波合成器により、直交する偏波状態(S偏波とP偏波)に多重されて出力される。その結果、偏波多重信号の伝送速度は、112Gbpsとなる。なお、QPSK変調器としては、入力された電気信号を直交合成して出力する複合光変調器を用いることができる。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an
一方、光受信器100は、図1に示す様に、偏波分離器101とX偏波受信器102とY偏波受信器103とLD(Laser Diode)104と偏波分離器105とTIA(Trans Impedance Amplifier)106a〜106dとAGC(Automatic Gain Controller)107a〜107dとを有する。また、光受信器100は、OA(Output Adjuster)108a〜108dとコンデンサ109a〜109dとオフセット調整器110a〜110dと高速ADC111a〜111dとデジタル信号処理回路112と制御回路113とを有する。これら各構成部分は、一方向又は双方向に、信号やデータの入出力が可能なように接続されている。
On the other hand, as shown in FIG. 1, the
光受信器100は、受信信号光と同一波長の局発光源としてLD104を有し、LD104からの出力光を上記受信信号光と干渉させて、電気信号に変換することで、コヒーレント検波を行う。コヒーレント検波は、強い偏波依存性を有する。このため、1台の偏波受信器では、局発光と同一の偏波状態の光信号しか受信することができない。そこで、光受信器100は、受信信号を入力する部分に2つの偏波分離器101、105を設け、受信信号を、2つの直交偏波成分(X成分、Y成分)に分離する。かかる構成を採ることにより、1つの光信号の受信に際して2台の受信器102、103が必要となるが、光受信器100は、信号光を偏波多重し、情報伝送量を2倍にすることにより、偏波成分の分離に伴う伝送速度の低下を補うことができる。
The
偏波分離器101は、112Gbpsで入力された光信号P1を2つの直交偏波成分に分離する。X偏波受信器102は、光90度ハイブリッド器102aと2個のバランス型フォトダイオード102b、102cとを有する。光90度ハイブリッド器102aは、信号光と局発光光(LD光)とを入力する。光90度ハイブリッド器102aは、これらの光を互いに同相(I)及び逆相(Q)で干渉させた1組の出力光P7、P8と、直交(90度、X)及び逆直交(−90度、Y)で干渉させた1組の出力光P9、P10との計4本の光を出力する。後段のバランス型フォトダイオード102b、102cは、2組の上記出力光P7〜P10を差動受信する。これにより、バランス型フォトダイオード102b、102cは、信号光及び局発光光から不要な直流成分をキャンセルし、各光のビート成分のみを効率的に抽出することができる。バランス型フォトダイオード102b、102cは、X偏波のIQ成分及びY偏波のIQ成分の計4つに分離された受信光信号P7〜P10を電気信号E1、E2(電流)に変換する。
The
同様に、Y偏波受信器103は、光90度ハイブリッド器103aと2個のバランス型フォトダイオード103b、103cとを有する。Y偏波受信器103の構成及び動作は、受信対象の偏波成分がY成分である点を除き、X偏波受信器102の構成及び動作と同様である。したがって、共通する構成要素には、末尾が同一の参照符号を用いると共に、その詳細な説明は省略する。
Similarly, the
TIA106a〜106dは、バランス型フォトダイオード102b、102c、103b、103cからそれぞれ出力される電気信号E1〜E4を入力する。すなわち、TIA106a、106bは、受信光信号P7、P8の同相干渉成分(I)と局発光信号P9、P10の直交干渉成分(Q)とを、2個のバランス型フォトダイオード102b、102cからそれぞれ入力する。同様に、TIA106c、106dは、受信光信号P11、P12の同相干渉成分(I)と局発光信号P13、P14の直交干渉成分(Q)とを、2個のバランス型フォトダイオード103b、103cからそれぞれ入力する。TIA106a〜106dは、入力された電気信号E1〜E4をインピーダンス変換して増幅し、電気信号E5〜E8として出力する。
The TIAs 106a to 106d receive electric signals E1 to E4 output from the
AGC107a〜107dは、TIA106a〜106dから入力された電気信号E5〜E8を、予め設定された振幅値に制御する。OA108a〜108dは、AGC107a〜107dからの入力信号E9〜E12の振幅を調整して出力する。OA108a〜108dは、アナログ部分(X偏波受信器102、Y偏波受信器103、TIA106a〜106d、AGC107a〜107d、及び高速ADC111a〜111d等)の特性の不完全性に起因する、4つのレーン間のばらつきによる信号品質の劣化を個別に抑制して正規化する。
The
コンデンサ109a〜109dは、OA108a〜108dからそれぞれ入力される電気信号E13〜E16を静電容量により蓄えると共に放出する受動素子である。オフセット調整器110a〜110dは、制御回路113からの指示に基づき、DC(Direct Current)カットされた高速信号E17〜E20に対し、高速ADC111a〜111dの入力範囲に収まる様にバイアスを与える。
The
高速ADC111a〜111dは、X偏波のIQ成分及びY偏波のIQ成分の計4つの電気信号E21〜E24を入力すると、各々の信号を高速にAD変換し、デジタル信号に変換された信号D1〜D4を、後続するデジタル信号処理回路112に出力する。高速ADC111a〜111dは、受信信号の2倍以上のサンプリング周波数でアナログ信号E21〜E24を取り込み、デジタル信号D1〜D4に変換した後、デジタル信号処理回路112に出力する。
When the high-
デジタル信号処理回路112は、高速ADC111a〜111dから出力されるデジタル信号D1〜D4を入力すると、制御回路113からの指示に基づき、これらのデジタル信号D1〜D4に各種処理を施し、誤り訂正を行った後に、100Gbpsの情報信号D5として外部に出力する。デジタル信号処理回路112は、例えば、光源周波数オフセット補償、搬送波位相推定、波長分散補償、偏波モード分散補償等の処理を実行する。
When the digital
制御回路113は、振幅調整用のOA108a〜108dとAD変換後のデジタル信号D1〜D4とを、28Gbps以上の高速信号の各レーン毎に常時監視し、各OA108a〜108dにフィードバック制御を掛ける。すなわち、制御回路113は、AD変換後のデータをファーム処理により監視し、各高速ADC111a〜111dに固有のダイナミックレンジ内に入力信号E21〜E24の振幅を最適化する様に、OA108a〜108dに対するフィードバック制御を行う。これにより、デジタル信号処理回路112における、データ成分の抽出を可能とする。
The
次に、動作を説明する。図2は、実施例に係る光受信器100の動作を説明するためのフローチャートである。光受信器100の制御回路113は、光パワーLOS(Loss Of Signal)の解除に伴い、偏波分離器101に対する光受信信号の入力を検知すると(S1)、OA108a〜108dにおける信号振幅の値を高めの値に調整する(S2)。すなわち、制御回路113は、AD変換後のRMS(Root Mean Square)値を常時モニタリングし、信号振幅の値を、事前に設定された高めの振幅値にフィードバック制御する。高めの振幅値とは、デジタル信号処理回路112がライン同期を確立するのに必要なクロック成分を入力信号D1〜D4から抽出可能な振幅値であり、好適には、600mVpp以上(例えば、700mVpp程度)である。
Next, the operation will be described. FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the
S3では、制御回路113は、高速ADC111a〜111dからデジタル信号処理回路112を経て入力されるフィードバック制御信号F1(図1参照)に基づき、高速ADC111a〜111dにおいてライン同期が確立されたか否かの判定を行う。当該判定の結果、ライン同期が確立された場合(S3;Yes)、制御回路113は、フィードバック制御信号F2(図1参照)により、S2で高めに設定された振幅値の低下をOA108a〜108dに指示する(S4)。これにより、OA108a〜108dにおける信号振幅の各値が、対応する高速ADC111a〜111dの入力レンジ内に収まった場合(S5;Yes)、制御回路113は、振幅の最適化が完了したものと判断し、信号疎通状態を維持する(S6)。
In S3, the
一方、S5において、OA108a〜108dにおける信号振幅の各値の中に、対応する高速ADC111a〜111dの入力レンジ内に収まらない振幅値が存在する場合(S5;No)には、再びS4に戻り、制御回路113は、上記振幅値を更に低下させる。振幅値の低下処理は、全てのOA108a〜108dにおける信号振幅値が入力レンジ内に収まる(最適化される)まで繰り返し実行され、最適化の完了に伴って終了する。
On the other hand, if there is an amplitude value that does not fall within the input range of the corresponding high-
なお、制御回路113は、上記振幅値の低下処理を、入力レンジを超えるレーン(例えば、1本)についてのみ個別に実行してもよいし、複数のレーン(例えば、2〜4本)に対して一律に実行してもよい。上記入力レンジの振幅値とは、デジタル信号処理回路112が処理対象のデータ成分を入力信号D1〜D4から抽出可能な振幅値であり、好適には、200〜600mVpp(例えば、300〜500mVpp程度)である。
Note that the
上記S3において、振幅値を高めに設定したにも拘らず、依然としてライン同期が確立されない場合(S3;No)、制御回路113は、ライン同期が確立されるまで、S2で一旦設定された振幅値を徐々に増加させていく。すなわち、制御回路113は、振幅値を増加させる回数の上限値(例えば、10回)をカウント値として予め保持し、増加回数(自然数N回)が当該カウント値に達するまで、振幅値を段階的に増加させていく(S7)。その結果、ライン同期が確立された場合(S3;Yes)には、制御回路113は、OA108a〜108dにおける信号振幅の各値の低下を開始する(S4)。これに対して、ライン同期が確立されない間(S3;No)は、制御回路113は、振幅値の増加回数が上限のカウント値に到達する(S7;Yes)まで、振幅値を増加させる(S7;No、S2)。
If the line synchronization is not established even though the amplitude value is set higher in S3, the
なお、S2における振幅値の増加分に関し、初期設定値が600mVppである場合、制御回路113は、例えば10〜20mVpp程度の幅で振幅値を増加させる。また、振幅値の1回当たりの増加分は、必ずしも毎回一定である必要はない。例えば、制御回路113は、前半の5回は20mVppずつ振幅値を増加させて、その後の5回は10mVppずつ振幅値を増加させるものとしてもよい。また、同期確立のために振幅値を増加させるか否かの判断指標となる上限値は、必ずしも回数(例えば、10回)により設定する必要はなく、振幅値自体に基づいて設定するものとしてもよい。かかる態様では、上記カウント値として、例えば800mVppの上限値が設定され、S7では、現時点での振幅値と当該上限値とが比較される。
When the initial setting value is 600 mVpp with respect to the increase in amplitude value in S2, the
続いて、図3〜図7Bを参照しながら、クロック成分を抽出する手法を説明する。併せて、光受信器100が、デジタル信号処理回路112に入力される信号の振幅を高くすることで、クロック成分の抽出が容易になり、同期確立までの特性が向上する理由について説明する。
Next, a method for extracting a clock component will be described with reference to FIGS. In addition, the reason why the
図3は、実施例に係るCDR(Clock Data Recovery)回路200の構成を示す図である。図3に示す様に、CDR回路200は、バッファ201とPLL(Phase Locked Loop)回路202とデータ復号回路(DECoder)203とを有して構成される。更に、PLL回路202は、位相検出器(PD:Phase Detector)202aとLPF(Low Pass Filter)202bとVCO(Voltage Controlled Oscillator)202cとを有する。これら各構成部分は、一方向又は双方向に、信号の入出力が可能なように接続されている。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a CDR (Clock Data Recovery)
100Gbps程度の高速光伝送では、伝送されるデジタル信号中にクロック成分が含まれる。CDR回路200は、データ成分にクロック成分が重畳されている伝送路上の信号を受信し、デジタル信号を、クロック成分とデータ成分とに分離する機能を有し、光受信器100のデジタル信号処理回路112により実現される。特に、デジタルコヒーレント通信では、CDR回路200は、送信器側でエンコード(FEC(Forward Error Correction)符号化や誤り訂正等)された例えば4本のシリアル信号から、クロック成分を抽出する。このクロック成分は、高速ADC111a〜111dにおいて、サンプリングクロックとして用いられる。
In high-speed optical transmission of about 100 Gbps, a clock component is included in a transmitted digital signal. The
受信側のデジタル信号処理回路112では、クロック、データの双方の成分を復号する必要がある。このため、PLL回路202に入力されるクロック成分及びデータ成分は、図3に示す様に、まずバッファ201を通過し、2つのパスに分岐される。一方のパスを通って伝送されるデジタル信号D6は、クロック成分を抽出するPLL回路202に入力され、他方のパスを通って伝送されるデジタル信号D9は、データ成分を生成するデータ復号回路203に入力される。位相検出器202aは、2つのデジタル信号D6、D7を入力し、これらの信号間の位相差に応じたデジタル信号D8を出力する。位相検出器202aは、例えば、2つの入力信号D6、D7の位相差が90度の時に出力電圧が0Vとなる様なデジタル信号D8を生成し、後段のLPF202bに出力する。
The digital
次に、ミキサ型の位相検出器を例に採り、位相検出器202aの動作を説明する。図4は、実施例に係る位相検出器202aの動作を説明するための図である。図4に示す様に、正弦波のデジタル信号D6は、RF(Radio Frequency)ポートを介してミキサ型の位相検出器202aに入力される。同様に、矩形波のデジタル信号D7は、LO(Local Oscillator)ポートを介してミキサ型の位相検出器202aに入力される。異なる波形を有するデジタル信号D6、D7は、合波された後、ミキサの出力信号D8として、IF(Intermediate Frequency)ポート経由で、LPF202bに入力される。デジタル信号D8は、LPF202bにより、正の直流電圧となり、デジタル信号D10として出力される。
Next, taking the mixer type phase detector as an example, the operation of the
図5Aは、実施例に係る位相検出器202aに入力される2つの信号の波形の一例を示す図である。図5Aでは、x軸に時間(単位は秒)が規定されると共に、y軸には入力信号電圧(単位はV)が規定されている。図5Aに示す様に、上述のデジタル信号D6は、振幅0.5V、波長10nsの正弦波を描き、上述のデジタル信号D7は、デジタル信号D6と同一の位相、振幅、及び波長を有する矩形波を描く。したがって、これらのデジタル信号D6、D7が位相検出器202aにて合波されると、図5Bに示す様な波形が生成される。図5Bは、実施例に係る位相検出器202aから出力される信号の波形の一例を示す図である。図5Bに示す様に、上述のデジタル信号D8は、LPF202bを経由すると、高周波成分が除去され、正の直流電圧Vopを有するデジタル信号D10として、LPF202bから出力される。FIG. 5A is a diagram illustrating an example of waveforms of two signals input to the
LPF202bからの上記出力電圧Vopが、VCO202cに対する制御電圧となる。したがって、デジタル信号D6(図1に示したデジタル信号D1〜D4に相当)の振幅が小さいと、電圧VopすなわちVCO202c制御電圧も小さくなり、その結果、VCO202cの追従可能なクロック速度が低下する。同時に、デジタル信号D6の振幅が減少するに連れて、Tr/Tfの値も小さく(傾斜が緩やかに)なり、ノイズ等の影響を受け易くなる。その結果、ジッタ性能が劣化する。つまり、デジタル信号処理回路112への入力信号の振幅の減少に伴い、デジタル信号に含まれるクロック成分とデータ成分との間の同期確立は困難となる。尚且つ、デジタル信号D6の伝送速度は、28Gbps程度と高速である。このため、光受信器100には、より広い周波数帯域に対応した装置設計が求められる。そこで、光受信器100は、同期が確立されるまでは、デジタル信号D6の振幅値を高くしてTr/Tfの値を上昇させる。これにより、ノイズ等の影響を抑制し、VCO202cによる追従の可能な速度を高める。その結果、クロック成分の抽出が容易となる。The output voltage V op from the
図6は、実施例に係るデジタルコヒーレント受信部の構成を示す図である。図6に示す様に、位相シフタ203cは、PLL回路202にて同期の確立されたVCO202cからの出力クロック信号を、4つの位相(0°、90°、180°、270°)にずらす。4位相サンプラ203bは、バッファ203aから入力されたデータを、位相シフタ203cによりずらされた各々のクロック位相にシフトさせる。4位相サンプラ203bにより4つの位相にシフトされたデータはそれぞれ、高速ADC203d−1、203d−2、203d−3、203d−4にてAD変換された後、デジタル信号として、FECフレーム同期検出回路203fに出力される。FECフレーム同期検出回路203fは、このデジタル信号から、FECフレームのプリアンブルパターン(F6 F6 F6 28 28 28)を検出する。
FIG. 6 is a diagram illustrating the configuration of the digital coherent receiving unit according to the embodiment. As shown in FIG. 6, the
FECフレーム同期検出回路203fは、データの変化点に近い位相のデータからはFECフレームを検出することができないため、後段のデジタル信号処理回路203gにおいて、データの変化点の中点に最も近いクロックを選択する。デジタル信号処理回路203gによるこの動作を「同期確立」と定義する。かかる動作により、データ復号回路(DEC)203、204、205、206にそれぞれ入力されたXI入力信号X1、XQ入力信号X2、YI入力信号Y1、YQ入力信号Y2は、クロック成分とデータ成分との同期が確立された後、XI出力信号X3、XQ出力信号X4、YI出力信号Y3、YQ出力信号Y4として外部に出力される。
Since the FEC frame
図7Aは、入力振幅が小さい場合における同期確立の方法を説明するための図である。これに対して、図7Bは、入力振幅が大きい場合における同期確立の方法を説明するための図である。図7A及び図7Bでは、x軸方向(時間方向)に入力信号の位相が規定され、y軸方向に入力信号の電圧が規定されている。図7Aに示す様に、入力振幅が小さい場合、デジタル信号処理回路203gは、データの変化点Z1、Z2に近い位相である0°、270°(図7Aの破線)をデータ変化点の位相と判断する。そして、デジタル信号処理回路203gは、これらの間に位置する90°、180°(図7Aの実線)の何れかの位相を、同期の確立に使用するクロックとしてサンプリングする。このため、入力信号の波長や周波数によっては、最適な位相が定まらず、必ずしも同期確立に最適なポイントのクロックが選択されない場合がある。
FIG. 7A is a diagram for explaining a synchronization establishment method when the input amplitude is small. On the other hand, FIG. 7B is a diagram for explaining a synchronization establishment method when the input amplitude is large. 7A and 7B, the phase of the input signal is defined in the x-axis direction (time direction), and the voltage of the input signal is defined in the y-axis direction. As shown in FIG. 7A, when the input amplitude is small, the digital
これに対して、図7Bに示す様に、入力振幅が大きい場合、データの変化点Z3、Z4の中点Z5に最も近い位相は、180°(図7Bの実線)の位相に容易に特定される。このため、デジタル信号処理回路203gは、4つの位相の中から、同期の確立に最適なポイントとなるクロック位相を、正確に選択することができる。すなわち、同期確立のためのサンプリング処理が簡易かつ迅速に実現される。上述した理由により、光受信器100は、入力振幅が大きい程、デジタル信号からクロック成分を抽出し易くなり、同期の確立が容易となる。
On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the input amplitude is large, the phase closest to the midpoint Z5 of the data change points Z3 and Z4 is easily specified as a phase of 180 ° (solid line in FIG. 7B). The For this reason, the digital
以上説明した様に、光受信器100は、コヒーレント光を受信する。光受信器100は、コヒーレント光を受信する。光受信器100は、OA108a〜108dとデジタル信号処理回路112と制御回路113とを有する。OA108a〜108dは、入力信号の振幅を調整して出力する。デジタル信号処理回路112は、OA108a〜108dから出力されたアナログ信号を用いて生成されたデジタル信号を入力すると共に、該デジタル信号からクロック成分を抽出し、該クロック成分とデータ成分との同期を確立した後、上記デジタル信号から上記データ成分を抽出及び処理する。制御回路113は、上記デジタル信号による同期の確立前は、上記アナログ信号の振幅を第1の振幅(例えば、700mVpp程度の大きい振幅)に設定し、上記同期の確立後は、該設定後の振幅を、上記第1の振幅より小さい第2の振幅(例えば、400mVpp程度の小さい振幅)に変更する。
As described above, the
光受信器100において、上記第1の振幅は、デジタル信号処理回路112が、上記デジタル信号を用いて、上記クロック成分と上記データ成分との間に同期を確立可能な振幅値以上の振幅である。また、上記第2の振幅は、デジタル信号処理回路112が、上記デジタル信号から上記データ成分を抽出可能な範囲内の振幅(最適化された振幅)である。更に、制御回路113は、上記同期の確立後、上記第2の振幅を、OA108a〜108dに印加される制御電圧に対する、出力信号の振幅の利得(ゲイン)特性において線形を有する範囲内の振幅に制限するものとしてもよい。
In the
すなわち、光受信器100は、コヒーレント受信される電気信号に対して、同期の確立までは振幅を高い値とし、同期確立後は、高速ADC111a〜111dの入力レンジに合わせて振幅を減少させる。更に、光受信器100は、同期の確立後に、各レーンの信号振幅をフィードバック制御することで、電気信号の振幅を常に最適化する。より具体的には、光受信器100は、同期が確立されるまでは、入力信号のゲインを大きくし、同期確立の安定性を向上する一方、同期確立後は、AD変換されたデジタル値を常時監視することで、アナログ入力信号のゲインを入力ダイナミックレンジ内に最適化するためのフィードバック制御を行う。その際、光受信器100は、同期確立後のゲイン調整において、波形歪みの生じ易い非線形範囲を使用しない様に制御することで、データ復号時のエラーを減少させ、信号伝送品質の向上を可能とする。
That is, the
また、実施例では、光受信器100は、OA108a〜108dをAGC107a〜107dと別体に構成する。これにより、光受信器100は、AGC107a〜107dにOAの機能を包含させる場合と比較して、コンデンサ109a〜109dとオフセット調整器110a〜110dとの間の信号のばらつきを抑制し、入力される光信号の変動に柔軟かつ容易に対応することができる。
In the embodiment, the
より具体的には、光コヒーレント伝送では、クロック抽出時に最適な信号振幅の値と、データ疎通時に最適な信号振幅の値とが異なる。すなわち、従来のNRZ(Non Return to Zero)強度変調の場合、光受信器は、入力信号振幅を大きくしてTr/Tfを急振させることで、クロック成分の抽出が容易となり、疎通状態での回線品質も向上する。これに対して、光コヒーレント伝送では、光受信器100は、高速ADC111a〜111dの入力レンジに信号振幅が収まる様に、光受信FE(Front End)モジュールの出力振幅値を低めに設定する。この場合、高速ADC111a〜111dの後段に設けられたデジタル信号処理回路112では、入力信号から抽出されるクロック成分の利得が低下する。これにより、データ成分とクロック成分とが同期しない、あるいは、同期の確立までに長い時間を要する、といった不都合が生じることとなる。More specifically, in optical coherent transmission, the optimum signal amplitude value at the time of clock extraction is different from the optimum signal amplitude value at the time of data communication. In other words, in the case of conventional NRZ (Non Return to Zero) intensity modulation, the optical receiver can easily extract the clock component by increasing the input signal amplitude and abruptly swinging T r / T f. The line quality in the network is also improved. On the other hand, in the optical coherent transmission, the
そこで、本実施例に係る光受信器100は、OA108a〜108dと制御回路113とにより、データとクロックとの間にライン同期が確立されるまでは、高速ADC111a〜111dへの入力信号の振幅を高い値に設定する。そして、ライン同期の確立後は、光受信器100は、上記振幅をADCダイナミックレンジ内に最適化する。ライン同期確立前の効果として、仮に高速ADC111a〜111dへの入力信号(正弦波)が飽和しても、光受信器100は、内部PLL(Phase Locked Loop)のライン同期確立に際して、入力振幅を上げることで、入力信号からクロック成分を抽出する際の利得を増加させることができる。これにより、ライン同期の確率は上昇する。更に、ライン同期確立後の効果としては、光受信器100は、データ成分を容易に抽出することが可能となる。
Therefore, the
同期確立後の振幅制御に関し、光受信器100は、多様なフィードバック制御の態様を採ることができる。
Regarding amplitude control after synchronization is established, the
例えば、光コヒーレント伝送で使用されている既存の光受信FEモジュールには、AGC回路を内蔵するものもあるが、通常、これらの光受信FEモジュールは、光入力パワーへの依存度が大きいため、出力振幅が一定でないものもある。特に、バランス型フォトダイオード102b、102c、103b、103cから高速ADC111a〜111dまでのアナログ部分においては、光入力パワーの変動、温度変化、経年劣化等の各種要因により、高速ADC111a〜111dへの入力振幅が最適範囲から外れることがある。これに伴い、光伝送品質が劣化するという課題も生じ得る。
For example, some existing optical reception FE modules used in optical coherent transmission include an AGC circuit. However, these optical reception FE modules usually have a large dependence on optical input power. Some output amplitudes are not constant. In particular, in the analog portion from the
かかる課題に対応するため、光受信器100の制御回路113は、同期確立後の振幅を制御する際、AD変換後のRMS値の監視結果に基づき、フィードバック制御する方式を採ることもできる。あるいは、制御回路113は、デジタル信号処理回路112からの入力信号F1のエラー数に基づき、フィードバック制御する方式を採ることもできる。すなわち、光受信器100は、同期確立後の信号疎通状態において、デジタル信号処理回路112内のRMS値またはエラー数を、制御回路113にて常時監視することで、OA108a〜108dからの出力信号E13〜E16の振幅をADCダイナミックレンジ内に常に最適化する。これにより、エラーレートが低下し、信号品質が向上する。すなわち、光受信器100は、内部クロックのライン同期確立後は、入力振幅をADC入力のダイナミックレンジ内に最適化して、波形歪による信号劣化を防ぐことにより、より高い透過性を実現する。併せて、光受信器100は、制御回路113により、光入力パワーの変動、温度変化、経年劣化等に起因する出力データ特性のばらつきを監視し、該監視結果を基に、OA108a〜108dにフィードバック制御をかける。これにより、常に最適な入力振幅が維持される。その結果、光信号品質の劣化が未然に防止される。
In order to deal with such a problem, the
また、光受信器100による光コヒーレント伝送では、2つの偏波のIQ成分に対応する計4つの電気信号が、偏波受信器102、103とデジタル信号処理回路112とを結ぶ、異なる4つのレーンに分かれて伝送される。このため、特にアナログ部分のレーン間の特性にばらつきが生じ、このばらつきが振幅のばらつきに派生することが懸念される。各レーン間の振幅のばらつきは、伝送品質の劣化の要因となる。そこで、光受信器100は、全てのレーンに対し、各々、OA108a〜108dを配設する。これにより、制御回路113は、同期確立後の振幅を制御する際、4つの各レーンに対して個別のフィードバック制御を施すことができる。したがって、制御回路113は、レーン間に生じる特性及び振幅のばらつきを軽減または解消することができる。その結果、エラーレートが低下し、信号品質が向上する。すなわち、光受信器100は、4つのレーンの入力振幅を個別に調整することで、レーン間のアナログ部分に生じるばらつきを無くし、後段のデジタル信号処理回路112の実行する波長分散補償や偏波モード分散補償における透過性の向上を可能とする。
Also, in optical coherent transmission by the
更に、光コヒーレント伝送では、フォトダイオードからADCまでのアナログ部分において、良好な線形性を保つことが重要である。図8は、実施例に係る光受信器100のOA108a〜108dの利得特性の一例を示す図である。図8では、x軸には、各OA108a〜108dに印加される電圧がOA制御電圧(単位はV)として規定されると共に、y軸には、各OA108a〜108dから出力される電気信号の振幅値がOA出力振幅(単位はmVpp)として規定されている。図8に示す様に、OA出力振幅の値は、OA制御電圧の増加に伴って増加するが、その増加幅(傾き)はOA制御電圧の値によって異なり、増加の過程において線形範囲と非線形範囲とが混在する。
Furthermore, in optical coherent transmission, it is important to maintain good linearity in the analog portion from the photodiode to the ADC. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of gain characteristics of the
特に、振幅調整用の高速オペアンプは、出力レベルの範囲が予め決まっており、制御電圧の低い範囲(例えば、0〜1.0V)及び高い範囲(例えば、1.8V以上)において、非線形な部分を有する。図8においては、OA制御電圧がV1以下の低い範囲に非線形範囲R1が存在する一方、OA制御電圧がV2以上の高い範囲にも非線形範囲R3が存在する。そして、OA制御電圧がV1〜V2の間(約1.0〜1.8V)に、出力振幅の線形範囲R2(約200〜700mVpp)が存在している。したがって、光受信器100の高速ADC111a〜111dにおいては、同期確立のために出力振幅値を高い値(例えば、700mVpp以上)に設定すると、入力信号がクリップ(飽和)する可能性がある。反対に、最適化に際して出力振幅値を低い値(例えば、200mVpp以下)に設定すると、量子化ノイズが増加し、信号品質が劣化するという問題が発生する。すなわち、振幅を上げ過ぎると波形が歪み、下げ過ぎるとノイズの影響を受け易く、周波数帯域が延びなくなる。Particularly, the high-speed operational amplifier for amplitude adjustment has a predetermined output level range, and a non-linear portion in a low control voltage range (eg, 0 to 1.0 V) and a high range (eg, 1.8 V or more). Have In FIG. 8, the non-linear range R1 exists in a low range where the OA control voltage is V 1 or less, while the non-linear range R3 also exists in a high range where the OA control voltage is V 2 or more. A linear range R2 (about 200 to 700 mVpp) of the output amplitude exists when the OA control voltage is between V 1 and V 2 (about 1.0 to 1.8 V). Accordingly, in the high-
そこで、上記問題に対応するため、光受信器100は、同期確立後の振幅を制御する際、OA108a〜108d等のアナログ部品の利得を考慮し、OA特性の良好な範囲(例えば、約200〜700mVpp、より好適には約300〜500mVpp)に出力振幅値を制限するフィードバック制御方式を採るものとしてもよい。換言すれば、制御回路113は、同期確立後の信号疎通状態において、図8に示した線形範囲R2、及び高速ADC111a〜111dの高いレンジ(最上位ビット(MSB:Most Significant Bit)側)を有効に活用する様に、フィードバック制御する。これにより、光受信器100は、アナログ部品の非線形範囲を使用しない様に、出力振幅値に制限をかけることができる。これにより、波形歪が抑制され、エラーレートが低下する。その結果、光信号品質が向上する。
Therefore, in order to deal with the above problem, the
また、光受信器100において、上述したフィードバック制御は、ファーム(Firm)処理によって実行される。このため、ファームウェアの制御負荷が増大し、受信器全体におけるファーム処理の量によっては、既存機能の劣化といった問題が想定される。そこで、光受信器100の制御回路113は、光の出力特性の安定性に鑑み、同期確立後の振幅を制御する際、リアルタイムでの制御を行わず、所定時間(例えば、1〜100μs)監視後に、監視結果に基づき一括してフィードバック制御を行う方式を採ることもできる。これにより、制御回路113によるファーム処理の量は減少する。その結果、光受信器100の処理負荷が低減される。
In the
(変形例)
上述した実施例は、以下に説明する様な変形態様を採ることもできる。すなわち、上記実施例では、光受信器100は、OA108a〜108dを、AGC107a〜107dとは別体の独立した構成部分としたが、OA108a〜108dの機能をAGC107a〜107dに包含させるものとしてもよい。図9は、変形例に係る光受信器100の構成を示す図である。図9に示す様に、変形例に係る光受信器100の構成は、OA108a〜108dを有さない点を除き、図1に示した光受信器100の構成と同様である。したがって、共通する構成要素には、同一の参照符号を用いると共に、その詳細な説明は省略する。AGC107a〜107dは、TIA106a〜106dから入力された電気信号E5〜E8を、予め設定された振幅値に制御すると共に、電気信号E5〜E8の振幅を調整し、調整後の電気信号E9〜E12を、後段のコンデンサ109a〜109dにそれぞれ出力する。電気信号E5〜E8の振幅は、フィードバック制御信号F2に基づくフィードバック制御により調整される。(Modification)
The embodiment described above can also take a modified form as described below. That is, in the above-described embodiment, the
上記実施例では、上述したフィードバック制御は、光受信器100が振幅調整用のOA108a〜108dを4本の各レーンに設けることで実施されることから、アナログ回路が増加し、これに伴い、実装面積も増大する。そこで、上記変形例では、光受信器100は、上述したフィードバック制御において、OA108a〜108dではなく、AGC107a〜107dにより、OA108a〜108dと同様の振幅調整を行う。これにより、回路規模が縮小され、実装面積も減少する。その結果、光受信器100の小型化が可能となる。また、消費電力の節減が可能となる。
In the above embodiment, the above-described feedback control is implemented by providing the
なお、上記説明では、方式の異なるフィードバック制御について個別に説明した。しかしながら、1台の光受信器100が、上述した複数のフィードバック制御の機能を併せもつものとしてもよい。また、併有する方式の数についても、2つに限らず、3つ以上の組合せ等、任意の形態を採ることが可能である。更には、変形例に係る光受信器100に対して、上述した各種フィードバック制御方式を適用することも勿論可能である。例えば、光受信器100は、AD変換後のRMS値に基づくフィードバック制御の機能を、並列する4つのレーンに個別に適用するものとしてもよい。また、光受信器100は、エラー数に基づくフィードバック制御と、所定時間監視後の一括したフィードバック制御とを組み合わせてもよい。更に、変形例に係る光受信器100が、出力信号の振幅値を線形範囲内に制限する方式のフィードバック制御を行うものとしてもよい。
In the above description, feedback control using different methods has been described individually. However, one
100 光受信器
101 偏波分離器
102 X偏波受信器
102a 光90度ハイブリッド器
102b、102c バランス型フォトダイオード
103 Y偏波受信器
103a 光90度ハイブリッド器
103b、103c バランス型フォトダイオード
104 LD
105 偏波分離器
106a〜106d TIA
107a〜107d AGC
108a〜108d OA
109a〜109d コンデンサ
110a〜110d オフセット調整器
111a〜111d 高速ADC
112 デジタル信号処理回路
113 制御回路
200 CDR回路
201 バッファ
202 PLL回路
202a 位相検出器(ミキサ)
202b LPF
202c VCO
202d セレクタ
203、204、205、206 データ復号回路(DEC)
203a バッファ
203b 4位相サンプラ
203c 位相シフタ
203d−1、203d−2、203d−3、203d−4 高速ADC
203e ADCサンプリングクロック選択回路
203f FECフレーム同期検出回路
203g デジタル信号処理回路
D1〜D4、D6〜D10 電気信号(デジタル信号)
D5 情報信号(デジタル信号)
E1〜E28 電気信号(アナログ信号)
F1、F2 フィードバック制御信号
P1〜P14 光信号
R1、R3 OA出力振幅の非線形範囲
R2 OA出力振幅の線形範囲
V1 線形範囲の開始するOA制御電圧
V2 線形範囲の終了するOA制御電圧
VIH、VIL デジタル信号処理回路への入力電圧
Vop LPFからの出力電圧
X1 XI入力信号
X2 XQ入力信号
X3 XI出力信号
X4 XQ出力信号
Y1 YI入力信号
Y2 YQ入力信号
Y3 YI出力信号
Y4 YQ出力信号
Z1〜Z4 データ変化点
Z5 データ変化点の中点DESCRIPTION OF
105
107a-107d AGC
108a-108d OA
109a-109d capacitor 110a-110d offset
112 Digital
202b LPF
202c VCO
203e ADC sampling
D5 Information signal (digital signal)
E1-E28 Electrical signal (analog signal)
F1, F2 feedback control signal P1~P14 optical signals R1, R3 OA output amplitude of the non-linear range R2 OA control voltage V IH which ends the start OA control voltage V 2 linear range of the linear range V 1 linear range of the OA output amplitude, Input voltage to V IL digital signal processing circuit V op Output voltage from LPF X1 XI input signal X2 XQ input signal X3 XI output signal X4 XQ output signal Y1 YI input signal Y2 YQ input signal Y3 YI output signal Y4 YQ output signal Z1 ~ Z4 Data change point Z5 Midpoint of data change point
Claims (5)
前記振幅調整回路から出力されたアナログ信号を用いて生成されたデジタル信号を入力すると共に、該デジタル信号からクロック成分を抽出し、該デジタル信号のクロック成分と該デジタル信号のデータ成分との同期を確立した後、前記デジタル信号から前記データ成分を抽出及び処理する信号処理回路と、
前記デジタル信号による同期の確立前は、前記アナログ信号の振幅を第1の振幅に設定し、前記同期の確立後は、該設定後の振幅を、前記第1の振幅より小さい第2の振幅に変更する制御回路と
を有することを特徴とする光受信器。 An amplitude adjustment circuit configured to adjust the amplitude of the input signal,
A digital signal generated using the analog signal output from the amplitude adjustment circuit is input, a clock component is extracted from the digital signal , and the clock component of the digital signal and the data component of the digital signal are synchronized. A signal processing circuit for extracting and processing the data component from the digital signal after being established;
Before the synchronization by the digital signal is established, the amplitude of the analog signal is set to a first amplitude, and after the establishment of the synchronization, the amplitude after the setting is set to a second amplitude smaller than the first amplitude. An optical receiver comprising: a control circuit to be changed.
入力信号の振幅を調整して出力し、
出力されたアナログ信号を用いて生成されたデジタル信号を入力すると共に、該デジタル信号からクロック成分を抽出し、該デジタル信号のクロック成分と該デジタル信号のデータ成分との同期を確立した後、前記デジタル信号から前記データ成分を抽出及び処理し、
前記デジタル信号による同期の確立前は、前記アナログ信号の振幅を第1の振幅に設定し、前記同期の確立後は、該設定後の振幅を、前記第1の振幅より小さい第2の振幅に変更する
ことを特徴とする光受信方法。 The optical receiver
Adjust and output the amplitude of the input signal,
After inputting a digital signal generated using the output analog signal, extracting a clock component from the digital signal, and establishing synchronization between the clock component of the digital signal and the data component of the digital signal , Extracting and processing the data component from the digital signal;
Before the synchronization by the digital signal is established, the amplitude of the analog signal is set to a first amplitude, and after the establishment of the synchronization, the amplitude after the setting is set to a second amplitude smaller than the first amplitude. An optical receiving method characterized by changing.
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